工程边缘

华为提供非常精确的型号

亚可芳高级工程师,华为技术有限公司有限公司。

如何

封装用于通信应用的高性能多核IC器件是制造商和系统集成商面临的一个关键挑战。传统上采用的是包内系统(SIP)。芯片安装在侧边,允许不同的半导体技术混合。最近,硅芯片的应用越来越普遍,随着产量的增加,采用片上系统(SOC)设计方法,其前期不可收回支出要高得多,最便宜的选择。这些多热源装置在设计过程中需要非常仔细的热设计。由于详细设计过程中的变更成本非常高。

功能和功耗的增加使得通信设备应用程序的热设计在当今高计算能力通信设备行业中至关重要。这些产品为我们的SOC封装提供了一个非常具有挑战性的热环境,由于需要设计非常紧密的热公差以满足尺寸要求,重量和形状因素目标。

华为始终关注产品设计中的热挑战,并在整个产品研发阶段使用热分析。我们有一个雄心勃勃的计划,为多核SOC和SIP设备开发一个内部热设计流程,使我们能够使用尽可能高质量的热数据和模型来促进我们自己的设计工作。

我们使用Flotherm™将近15年,因此,我们有丰富的经验,因此能够创建我们的SOC和SIP产品的详细热模型。然而,我们需要一种方法来测试这些组件是否达到了“设计”的热性能,测试其他供应商的包装,而不是依赖他们的热数据,通常不够精确或不适合设计。因为它基于热瞬态测量原理,提供最高的保真度,我们求助于Mentor Graphics’t3ster®硬件进行一系列热测试,以便我们的热工程师能够更好地了解这些高性能产品的热阻抗特性,减少实现良好设计所需的时间和资源。

作为这一新设计工作流程的测试工具,我们选择研究一种3核SOC设备,这是目前通信设备应用中使用的典型设备,并以允许包堆叠的包对包(pop)格式进行组装。Flotherm模型如图1所示。

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““为了设计成功的通信设备,华为首次在Flotherm中进行热模拟,然后根据从T3STER获得的精确热测量数据,对详细的热模型进行了标定。与此同时,华为通过不同的材料选择来优化设计,以降低热阻。使用t3ster的瞬态热测量确认。这一过程要快得多,所需资源也比以前少,为华为系统级建模提供了高精度的热模型。帮助我们比竞争对手更快地将产品推向市场。”“““

方亚可高级工程师,华为技术有限公司有限公司。

第一批工作包一生产出来,他们使用Mentor Graphics t3ster硬件进行测量,记录部件对功率阶跃的温度响应,从几微秒到稳定状态,精度为±0.01°C。

在Flotherm中创建了包的详细数值模型后,我们进行了瞬态模拟,以获得这方面的基线结果,到目前为止,未校准模型,在设计过程中,我们使用最好的可用信息构建了它。温度与从Flotherm和t3ster得到的时间图似乎很吻合。

在同一热环境中使用一个包的模型,可以使温度与Flotherm模拟的时间响应也将转换为结构函数,然后对这两种结构函数进行了比较。这是累积热电容与热量离开包装时所经历的累积热阻。如果模型与包的实际情况完全匹配,两条结构函数曲线应完全匹配。因为从模具接头到环境的热流路应该是相同的。

然后我们对这个温度和为t3ster和flotherm结果创建结构函数图的时间数据,并比较了这些。我们没想到会有一场真正的比赛,因为材料的热性能总是不确定的。粘合线的厚度和均匀性,以及一种材料与其相邻材料不完全热接触的结构内的接触电阻。然而,当我们比较结构函数时,我们有点惊讶于差异有多大,如图2所示。结构-功能比较是一个非常强大的工具,可以显示模型和实验结果之间的差异。这些差异在热流路中。

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图2显示了初始flotherm模拟(黑色)与t3ster测量数据(蓝色)在核心1通电时显示。这两种结构的功能明显不同。在图的最右边,热电容变得无限大,当热量到达环境时。对于flotherm模型,这种情况发生在比实际情况更低的热阻下,所以模型低估了温度上升。其中一些差异可能是由于冷板建模方法的缺陷造成的。然而,图左侧的差异在包模型本身中,靠近热源。仿真VS测试结果,当核心2和核心3通电时,两者都显示出相似的差异。

手动修改模型以使其与实验结果一致将是非常耗时且容易出错的,因为这是一个猜测和正确的过程,而执行像我们这样快节奏的设计环境是不切实际的。然而,我们选择t3ster的部分原因是它的结果可以被读取到flotherm的命令中心工具中,它允许自动校准多个用户选择的参数,以调整模型以匹配测量数据。这个校准非常适合,手工操作会非常困难和耗时,从而得到了一个可用于系统设计的高精度模型。

要进行自动校准,我们选择了包内加热对应的时间范围,忽略了代表板和冷板加热的曲线部分,因此,将瞬态计算截断为0.15 s。优化需要参数列表,其确切值不确定,以及它们的热导率值的可能范围。选择的参数是C4颠簸,电导率范围为40 W/mk至70 W/mk;下溢(0.2 W/mk至0.7 W/mk;封装基板(10 W/mk至20 W/mk);以及焊接面罩(0.5 w/mk至3 w/mk)。

结果,如图3所示,提供了一个良好的匹配范围内的热阻,直到结对板热阻(rthjb)。这证明了Flotherm的自动校准技术与t3ster相结合的有效性。校准后的模型可用于板级和系统级的热分析,对结果的逼真度具有很高的置信度。

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